KR101758928B1 - 산업용 전기 차량의 배터리 잔량 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업용 전기 차량의 SOC(State Of Charge)측정 방법에 관한 것으로, 이러한 본 발명은 전력량과 DC링크 전압과의 상관관계를 계산하여 기록하는 제 1 단계; 기존의 단위 전력량과 상기 제 1 단계에서 계산한 단위 전력량을 이용하여 새로운 단위 전력량을 계산하는 제 2 단계; 상기 제 2 단계에서 결정한 단위 전력량을 이용하여 SOC를 추정하는 제 3 단계; 전압회복의 특성을 가지는 배터리의 DC링크 전압이 안정된 시점을 판단하고 측정하는 제 4 단계; 및 기존의 SOC를 무시하고 새로 계산하는 조건을 판단하는 제 5 단계; 를 포함하는 것이다.

Description

산업용 전기 차량의 배터리 잔량 측정방법{Automatic SOC adjustment method of industrial electric vehicles}

본 발명은 산업용 전기 차량의 SOC(State Of Charge)측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 추가적인 측정 장치 없이 인버터에서 계산한 소모 전력량과 배터리의 전압만을 이용하여 환경에 따라 자동으로 조정되는 SOC 측정 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 배터리를 사용하는 산업용 전기 차량의 SOC측정은 별도의 SOC측정 회로를 구성하여 계산을 하거나 단순히 배터리의 전압만을 이용하여 간단한 SOC측정 방법을 사용하고 있다. 대부분의 경우 추가적인 회로를 구성하지 않고 배터리 전압만을 이용하여 SOC를 측정하고 있다.

배터리 제조회사의 상온에서의 배터리 특성 자료를 이용하여 배터리 비중과 전압 및 SOC의 관계를 사용하고 있다.

그러나, 배터리 특성 데이터가 온도 별로 존재 하지 않아 냉동 창고와 같은 특수한 환경에서 동작하는 전동 지게차의 경우 SOC의 측정에 큰 오차가 있다.

또한, 배터리의 수명에 한계가 있어 시간이 지날수록 SOC가 부정확해져 배터리의 수명을 급격히 단축시키기도 한다.

이외에도 도 1과 같이 부하 작업을 한 뒤 떨어졌던 배터리 전압이 일정시간이 지난 후 회복되는 특성이 있어 줄어들었던 SOC양이 늘어나기도 하며, 이는 사용자들의 불만사항으로 지난 수년간 존재해 왔다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 배터리 전압을 이용한 배터리잔량(SOC)측정을 기본으로 하고, 전동기 구동에 사용되는 인버터 내부 항목만을 이용하여 소모되는 전력량을 계산하여 SOC측정 단위 당 전력량을 조정한 뒤 회를 거듭할수록 최적의 정확한 SOC측정을 할 수 있게 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적달성을 위한 본 발명 산업용 전기 차량의 배터리 잔량 측정방법은, 전력량과 DC링크 전압과의 상관관계를 계산하여 기록하는 제 1 단계; 기존의 단위 전력량과 상기 제 1 단계에서 계산한 단위 전력량을 이용하여 새로운 단위 전력량을 계산하는 제 2 단계; 상기 제 2 단계에서 결정한 단위 전력량을 이용하여 SOC를 추정하는 제 3 단계; 전압회복의 특성을 가지는 배터리의 DC링크 전압이 안정된 시점을 판단하고 측정하는 제 4 단계; 및, 기존의 SOC를 무시하고 새로 계산하는 조건을 판단하는 제 5 단계; 를 포함하여 진행하는 것이다.

또한, 상기 제 1 단계는, 전동기 제어에 사용되는 자속분 전류와 전압, 토크분 전류와 전압을 이용하여 전력량을 계산하고 차량의 전원이 켜있는 동안 DC링크 전압을 감시하다가 적합한 두 시점을 판단하여 전력량과 DC링크의 상관관계를 계산하는 것이다.

또한, 상기 제 2 단계와 상기 제 3 단계는, 이미 사용되고 있는 단위 전력량과 이전 단계에서 새로이 계산된 단위 전력량을 비교하여 적절히 새로운 단위 전력량을 정하는 단계; 및, 정해진 단위 전력량을 이용하여 SOC를 측정하는 단계; 를 더 를 포함하는 것이다.

또한, 상기 제 4 단계와 제 5 단계는, 전압회복 특성을 가지는 배터리의 DC링크 전압을 적절하게 그 안정된 시점을 찾아내는 단계; 및, 안정된 시점의 DC링크 전압을 기준으로 기존의 SOC를 무시하고 새로이 측정하기 위해 판단하는 단계; 를 더 포함하는 것이다.

본 발명에 의하면, 배터리 전압을 이용한 배터리잔량(SOC)측정을 기본으로 하고, 전동기 구동에 사용되는 인버터 내부 항목만을 이용하여 소모되는 전력량을 계산하여 SOC측정 단위 당 전력량을 조정한 뒤 회를 거듭할수록 최적의 정확한 SOC를 측정 할 수 있도록 하는 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 산업용 전기차량에 주로 사용되는 납 배터리의 전압회복 현상을 도식화한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 자동 조정되는 알고리즘을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 SOC측정 방법의 흐름을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 구현을 위한 하드웨어적 구성을 보인 블럭도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 자동 조정되는 알고리즘을 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 SOC측정 방법의 흐름을 나타내는 도면이며, 도 4는 본 발명의 구현을 위한 하드웨어적 구성을 보인 블럭도를 도시한 것이다.

첨부되는 도 2 내지 도 4에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 산업용 전기 차량의 배터리 잔량 측정방법은 우선 도 4의 하드웨어적 구성 즉, 산업용 전기차량의 전동기 구동장치를 통해 달성되는 것으로, 상기 산업용 전기차량의 전동기 구동장치는 첨부된 도 4에서와 같이 전동기(1)와, 120도 위상차를 갖는 3상 출력을 전동기(1)로 공급하는 인버터(2)와, 인버터구동을 위한 PWM제어신호를 인버터(2)로 출력하는 인버터제어부(3)와, 배터리(5)의 초기 돌입전류를 방지하기 위해 충전저항으로 전류를 제한하고 정상적으로 전원을 인버터제어부(3)로 공급하는 PDU(Power Distribution Unit)(4)와, 배터리(5)와, 배터리(5)의 잔량전압을 측정하는 배터리잔량측정부(6)를 포함하는 것이다.

이때, 상기 구성된 전동기 구동장치의 동작을 설명하면, PDU(4)는 배터리(5)의 전압을 인버터제어부(3)로 공급하고, 인버터제어부(3)는 PWM제어신호를 인버터(2)로 출력하여 인버터(2)를 구동시킨다.

상기 인버터(2)는 인버터제어부(3)에서 출력된 PWM제어신호에 따라 스위칭 동작하여 전동기(1)로 120도의 위상차를 갖는 3상 출력을 공급하여 전동기(1)를 구동시킴에 따라 산업용 전기차량이 구동하게 되는 것이다.

상기 전동기(1)가 구동할 때 배터리잔량 측정부(6)는 배터리(5)의 잔량을 측정한다.

따라서, 본 발명은 상기와 같이 동작하는 전동기 구동장치의 배터리 잔량 측정부(6)에서 이루어지는 배터리 잔량측정방법인 바, 이에 대하여 첨부된 도 2 및 도 3을 참조하면 제 1 내지 도 5 단계(S100)(S200)(S300)(S400)(S500)을 포함하게 되는 것이다.

상기 제 1 단계(S100)는 안정된 두 DC링크 전압 사이에 사용된 전력량을 계산하여 새로운 단위 시간당 전력량을 계산하는 것이다.

즉, 상기 제 1 단계(S100)는 차량의 전원이 켜있는 동안 사용된 총 전력량을 배터리잔량측정부(6)가 계산하는 것으로, 상기 제 1 단계(S100)에서는 차량의 전원이 켜진 후 처음으로 안정된 전압 V1(단위 전력량을 계산하기 위한 시작 시점의 DC 링크 전압)을 측정하고(S2), 그 이후로 사용되는 전력량을 계산(S3)하여 SOC로 반영한다.

상기 V1 측정 이후 계속해서 반복되어 안정된 상태가 나타나면, V2(단위 전력량을 계산하기 위한 종료 시점의 DC링크전압)(S4)를 측정하고 그 때까지의 전력량을 이용하여 새로운 단위 전력량을 계산(S5)하고 저장(S6)한다.

여기서, 차량의 운전이 종료되기 전에 마지막으로 저장된 V2가 실제로 배터리 잔량으로 사용되게 되며, 만약 V1만 측정이 되고 이어 발생하는 V2가 존재 하지 않으면 해당 회의 전력량 계산은 무시한다.

상기 제 2 단계(S200)는 이전에 계산되어 인버터 내부 메모리에 저장되어 있는 단위 전력량을 이용하여 최적의 값으로 조정하는 것이다.

즉, 상기 제 2 단계(S200)는 이전 두 회의 단위 전력량을 이용하여 최적의 단위 전력량으로 조정하는 것으로, 상기 제 2 단계의 조정에 사용되는 최적화 함수(FunOpt)(S1)는 각 변수의 신뢰도를 고려하여 적합하게 적용되어야 한다.

이때, 상기 최적화 함수에 필터가 사용되는데 필터의 샘플링 주기가 차량의 재시작(S7)에 해당하므로 최적의 상태로 조정되는 시간이 길지만, 최초의 기본 값은 해당 차량 모델의 가장 일반적인 상태로 설정되므로 사용에 무리는 없다. 다만 급격한 환경 변화에 대해서는 장시간에 걸쳐 최적 값으로 추종될 것이다.

상기 제 3 단계(S300)는 상기 조정되는 최적의 값을 이용하여 현재의 SOC를 추정하는 것이다.

즉, 상기 제 3 단계(S300)는 조정된 단위 전력량을 이용하여 배터리잔량(SOC)을 계산하는 것으로, 상기 제 3 단계(S300)에서의 SOC계산에 있어 DC링크 전압은 사용되지 않는다. 그러므로 배터리의 전압 회복 특성의 영향으로 SOC가 요동치는 현상은 발생하지 않는다. 여기에 사용되는 함수는 간단한 일차 함수(FunSoc)(S3)이다.

좀 더 정확한 측정을 위해 배터리 특성을 감안한 DC링크 전압을 또 하나의 변수로 활용하면 이차함수 이상이 될 수 있다.

상기 제 4 단계(S400)는 전압이 회복되는 배터리의 특성을 보완하기 위해 DC링크 전압이 안정화 되었음을 판단하는 것이다.

즉, 상기 제 4 단계(S400)는 상기 제 1 단계에서 안정된 DC링크 전압을 판단하는 것이며, 상기 제 1 단계(S100)에서 계산되는 단위 전력량의 기준이 되는 DC링크 두 전압(V1,V2)을 적합하게 선택하는 것이 중요하다. 어떠한 동작도 하지 않는 상태에서 일정 시간이 흘러야 하고 DC링크 전압의 크기가 일정 시간 유지를 해야 한다. 차량의 운전이 종료되기 전에 계속적으로 반복 수행하여 최종적으로 두 DC링크 전압을 선택하게 된다.

상기 제 5 단계(S500)는 종료 후 충전이 되어 재시작(S7)시 SOC를 새로 계산해야 하는 기준을 정하는 것이다.

즉, 상기 제 5 단계(S500)는 배터리 잔량검출동작을 초기화하는 기준을 정하는 것으로, 차량 종료 후 충전을 하게 되면 재시작(S7)시 SOC의 초기화가 이루어 져야 한다.

이때, 빈번한 재 시작으로 인해 배터리의 전압회복 현상과 충전이 혼동될 우려가 있으며, 한번 초기화되면 DC링크 전압을 SOC계산에 사용하지 않기 때문에 초기화 여부를 잘 판단해야 한다. 전압회복 현상의 최대값을 상회하는 기준으로 SOC초기화를 수행한다.

그리고, 상기와 같이 설명되는 제 1 단계(S100)부터 제 5 단계(S500)까지의 과정은 반복적으로 실시될 수 있다.

결과적으로, 본 발명은 산업용 전기 차량의 배터리 잔량을 측정 할 때 그 변화 량이 다양한 환경에 적합하게 조정되고 전압회복 현상에 의해 출렁이는 배터리 잔량을 안정화 시켜 최적의 차량 운용 효과를 기대할 수 있다.

한편, 첨부된 도 2에 있어서 본 발명의 다른실시예로, V1의 값과 현재의 Pc를 이용하여 SOC를 계산하고, V2를 종료전 까지 계속 반복 측정을 하고 V1과 V2를 이용하여 Pn을 계산하여 지정된 저장 장소에 저장한다. 만약 Pc에 오차가 있다면 Pn의 값과 차이가 있을 것이므로, 재시작시 저장된 과거의 Pn,Pn-1,Pn-2등을 이용하여 조정된 Pc를 계산하고 이를 SOC에 적용하며, 이상의 과정을 반복함으로써 산업용 전기 차량의 배터리 잔량을 측정 할 때 그 변화 량이 다양한 환경에 적합하게 조정되고 전압회복 현상에 의해 출렁이는 배터리 잔량을 안정화시켜 최적의 차량 운용 효과를 기대할 수도 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 산업용 전기 차량의 배터리 잔량 측정방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

따라서 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범위를 이탈하지 않는 범위 내에서 치수 및 모양 그리고 구조 등의 다양한 변형 및 모방할 수 있음은 명백한 사실이며 이러한 변형 및 모방은 본 발명의 기술 사상의 범위에 포함된다.

1: 전동기 2: 인버터
3: 인버터제어부 4: PDU
5: 배터리 6: 배터리 잔량 측정부
Pc : 사용할 최적화된 단위 전력량
Pn : n번째 갱신된 단위 전력량
FunOpt : 변화된 단위 전력량을 적용하여 최적화하는 함수
FILTER : 변화된 단위 전력량을 적용하기 위한 필터
V1 : 단위 전력량을 계산하기 위한 시작 시점의 DC링크 전압
V2 : 단위 전력량을 계산하기 위한 종료 시점의 DC링크 전압
FunSoc : 새로운 단위 전력량을 이용하여 SOC를 계산하기 위한 함수
FunAdj : 새로운 단위 전력량을 계산하기 위한 함수

Claims (4)

1. 차량의 전원이 켜진 후 처음으로 안정된 단위 시간당 전력량을 계산하기 위한 배터리 시작시점의 DC링크전압(V1)을 측정하고, 상기 DC링크전압(V1)이 측정된 이후에 전압이 계속적으로 반복되어 안정된 상태가 나타날 때 단위 시간당 전력량을 계산하기 위한 배터리 종료시점의 DC링크전압(V2)을 측정한 후, 상기 배터리의 두 DC링크전압(V1,V2) 사이에 사용된 단위 시간당 전력량을 계산하고 기록하는 제 1 단계;
   이전에 계산되어 인버터 내부 메모리에 저장되어 있는 단위 시간당 전력량과 상기 제 1 단계에서 계산한 배터리의 두 DC링크전압(V1,V2) 사이에 사용된 단위 시간당 전력량을 이용하여 새로운 단위 시간당 전력량을 계산하는 제 2 단계;
   상기 제 2 단계에서 계산한 단위 시간당 전력량을 이용하여 배터리 잔량(SOC)를 추정하는 제 3 단계;
   전압회복의 특성을 가지는 상기 제 1 단계로부터 계산되어 기록된 상기 배터리의 DC링크전압(V1,V2)에 대한 안정된 시점을 판단하고 측정하는 제 4 단계; 및
   차량 운전 종료 후 배터리 재충전시 배터리 전압회복 현상과 충전이 혼동되지 않도록 상기 제 4 단계로부터 안정된 시점에 측정되는 전압회복 현상의 최대값을 상회하게 되는 DC링크전압(V1,V2)을 기준으로 배터리 잔량(SOC)를 초기화시킨 후, 배터리 잔량 검출동작을 초기화하는 기준을 새로 설정하는 제 5 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 전기 차량의 배터리잔량 측정 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 단계에서 상기 배터리의 두 DC링크전압(V1,V2) 사이에 사용된 단위 시간당 전력량을 계산하는 것은,
   전동기 제어에 사용되는 자속분 전류와 전압, 토크분 전류와 전압을 이용하여 단위 시간당 전력량을 계산하고 차량의 전원이 켜있는 동안 DC링크 전압을 감시하여 처음으로 안정된 전압(V1)과 단위 시간당 전력량을 계산하기 위한 종료 시점의 DC링크전압(V2)을 측정하여 배터리의 두 DC링크 전압 사이에 사용된 단위 시간당 전력량을 계산하는 것을 특징으로 하는 산업용 전기 차량의 배터리잔량 측정 방법.
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